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ROSARIO FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ
CUANDO LAS MOLÉCULAS
SE MIRAN EN EL ESPEJO.
ORÍGENES Y CONSECUENCIAS
DE LA ASIMETRÍA
EN EL UNIVERSO
Lección Inaugural leída en la Solemne Apertura
del Curso Académico 2015-2016
en la Universidad de Sevilla
ROSARIO FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ
Catedrática de Química Orgánica
Facultad de Química
CUANDO LAS MOLÉCULAS
SE MIRAN EN EL ESPEJO.
ORÍGENES Y CONSECUENCIAS
DE LA ASIMETRÍA EN
EL UNIVERSO
Lección Inaugural leída en la Solemne Apertura
del Curso Académico 2015-2016
en la Universidad de Sevilla
Sevilla 2015
Colección Textos Institucionales
Núm.: 72
Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de
este libro puede reproducirse o transmitirse por ningún
procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia,
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© ROSARIO FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ 2015
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Impreso en España-Printed in Spain
ISBN: 978-84-472-1801-1
Depósito Legal: SE 1245-2015
Imprime: Dosgraphic, s. l.
Índice
La asimetría en la Naturaleza.........................................11
De Biot a Pasteur............................................................15
Nomenclatura de los compuestos quirales.......................21
La vida es asimétrica.......................................................23
El origen de la quiralidad en los sistemas vivos..............26
Quiralidad extraterrestre.................................................29
Origen terrestre de la homoquiralidad............................35
La amplificación del desequilibrio. Homoquiralidad y
autocatálisis......................................................................38
Prueba del concepto de autocatálisis. La reacción de
Soai..................................................................................41
La quiralidad a nivel molecular en los seres vivos..........47
Quiralidad y actividad de los fármacos...........................56
Chiral switching..............................................................64
Preparación de enantiómeros puros.................................65
Bibliografía general.........................................................78
Sr. Rector Magnífico de la Universidad de Sevilla,
Autoridades,
Claustro de Profesorado,
Personal de Administración y Servicios,
Alumnado,
Señoras y Señores:
La asimetría en la Naturaleza
Cuando el entonces Rector, D. Antonio Ramírez de Arellano,
me propuso impartir la lección inaugural del curso 2015-16 lo
acepté como un honor, que agradecí en su momento y agradezco ahora nuevamente, por la distinción que este encargo supone, siendo consciente del compromiso y del reto que implica.
Después de una profunda ref lexión, elegí como título
Cuando las moléculas se miran en el espejo. Orígenes y consecuencias de la asimetría en el Universo, con la modesta intención de
trasladarles algunas reflexiones relacionadas con el campo de
investigación en el que me encuentro involucrada desde hace
años. Decidí pues hablar de la simetría, concepto que ha fascinado durante siglos a científicos, artistas, matemáticos y escritores, entre otros. En realidad, como indica el título, las
reflexiones aquí recogidas están más bien relacionadas con la
ausencia de simetría en el mundo que nos rodea. La asimetría
es un fenómeno observable a nivel cotidiano desde que nos levantamos y nos miramos en el espejo. Nuestro cuerpo externamente es claramente asimétrico, y esta característica se pone
de manifiesto fácilmente si tomamos una foto y realizamos un
11 reflejo de la mitad de nuestra cara en el otro lado. Tras este
tipo de reflexión se obtiene un rostro simétrico, que corresponde a una persona diferente de la que vemos frente a nosotros en el espejo.
En el interior de nuestro cuerpo la asimetría todavía es más
patente. Los órganos que están duplicados, como los pulmones o los riñones, se encuentran colocados simétricamente en
el cuerpo, lo que no ocurre con órganos únicos, como el corazón o el estómago, que se encuentran desplazados hacia la izquierda en el tórax, o el páncreas y el hígado, dispuestos en el
lado derecho. Sólo un 0,01% de personas tienen cuerpos que
son imágenes en el espejo de lo considerado normal. Se trata
de un defecto congénito poco frecuente, denominado situs inversus, que consiste en que los órganos están colocados justamente en la disposición opuesta.
En la naturaleza existen ejemplos de animales y plantas abrumadoramente asimétricos. Por ejemplo, la madreselva
(Genus Lonicera) crece verticalmente describiendo una hélice
hacia la izquierda, mientras que las enredaderas y las judías
verdes crecen describiendo hélices a la derecha.
Otro ejemplo de asimetría se presenta en los caracoles. El
caracol más conocido, el escargot (Helix pomatia), tiene una espiral que describe un giro hacia la derecha, en el sentido de las
agujas del reloj (dextro). Existen estudios que demuestran que
la probabilidad de encontrar un escargot que presente una concha con una espiral que describa un giro en sentido contrario
al de las agujas del reloj (levo) es del orden de 1 entre 20.000.
12 Además del Helix pomatia, aproximadamente el 90% de todas
las especies de gasterópodos son predominantemente dextro.
Es interesante destacar que para cualquier tipo de caracol, incluyendo el Helix pomatia, el apareamiento entre individuos
que tuviesen espirales dextro y levo sería virtualmente imposible, debido a la localización física de los órganos reproductores.
En su descripción más básica, la simetría se puede relacionar con la reflexión de un objeto en un espejo. En la mitología
griega, Narciso era un joven muy hermoso que despreciaba y
rechazaba a todas las mujeres que se enamoraban de él. Entre
ellas estaba la ninfa Eco, a la que Hera había condenado a repetir las últimas palabras que escuchara. Un día Eco siguió
a Narciso a un bosque para confesarle su amor y éste la rechazó cruelmente. Para castigar a Narciso por su engreimiento,
Némesis, la diosa de la venganza, hizo que se enamorase locamente de su propia imagen reflejada en una fuente. Narciso
no se dio cuenta de que era él mismo hasta que intentó besar
su imagen, y quedó entonces tan desconsolado que se suicidó
arrojándose al agua. En el sitio donde su cuerpo había caído,
creció una flor, el narciso. Afortunadamente los humanos no
nos sentimos inquietados cuando observamos nuestra imagen
en el espejo, y nos damos cuenta que en ella nuestra mano
derecha se convierte en nuestra mano izquierda, que nuestra raya del cabello se encuentra en el otro lado de la cabeza,
o que cualquier palabra de nuestra ropa tiene las letras escritas “hacia atrás”. Todo ello se convierte en normal una vez que
ya hemos superado la fascinación que nos producen los espejos en nuestra infancia. En realidad, la imagen que tenemos
13 de nosotros mismos en nuestra mente es la imagen que vemos
cada día en el espejo, en lugar de nuestra verdadera imagen,
que es la que los otros ven. Y de hecho esas dos imágenes no
son superponibles.
El término generalmente usado para definir los sistemas
en los que la imagen especular no es superponible con el sistema original es quiral. A la propiedad asociada con este fenómeno se le denomina quiralidad, término que proviene de
la palabra griega χειρ, que significa mano. La primera vez
que se usó este término y su definición fue en una conferencia de Lord Kelvin (Sir William Thomson) en 1844. El
mejor ejemplo macroscópico de la quiralidad es sin duda el de
las manos humanas. Resulta evidente que la imagen especular de la mano derecha es la mano izquierda y que ambas no
son superponibles.
El fenómeno de la quiralidad, que se puede observar en
numerosos ejemplos a nivel macroscópico en nuestra vida cotidiana, tiene unas implicaciones a nivel molecular de una increíble importancia. Los seres vivos estamos constituidos por
moléculas orgánicas (proteínas, ácidos nucleicos, hidratos de
carbono, grasas), compuestos cuya base principal es el carbono.
El conocimiento de la simetría, o más bien de su ausencia, en
las estructuras de las biomoléculas esenciales para la vida se
ha convertido en un aspecto fundamental para la comprensión
de los mecanismos de los procesos biológicos y la actividad de
los productos bioactivos.
14 De Biot a Pasteur
En 1848 Louis Pasteur, basándose en estudios previos de Biot,
realizó los primeros experimentos cruciales para el estudio de
la estructura tridimensional de las moléculas orgánicas, en sus
experimentos sobre el ácido tartárico.
En el proceso de fabricación del vino por fermentación
de mosto se produce una sustancia llamada tártaro. De esa
sustancia, el químico sueco Wilhem Scheele aisló en 1769 un
compuesto de propiedades ácidas al que llamó ácido tartárico.
En 1820 Karl Kestner, fabricante alemán de productos químicos, preparó una sustancia que creyó que era el ácido tartárico,
pero que tenía diferentes propiedades, entre ellas su menor solubilidad. Joseph Louis Gay-Lussac llamó a aquel compuesto
ácido racémico, en alusión al nombre latino del racimo de
uvas. Se comprobó que los ácidos tartárico y racémico, tenían
fórmulas idénticas, C4H6O6. Resultaba desconcertante que dos
sustancias constituidas por los mismos átomos presentaran características diferentes. En 1830 J. Jacob Berzelius denominó
a este tipo de compuestos isómeros, que significa “de iguales
proporciones”.
El científico francés Jean Baptiste Biot, cuyo nombre se
asocia con descubrimientos importantes en matemáticas, astronomía, física y química, había diseñado el polarímetro,
instrumento que medía la actividad óptica de los materiales.
En 1815, cuando se sabía que cristales de cuarzo podían existir como imágenes especulares no superponibles que desviaban
el plano de polarización de la luz polarizada, Biot descubrió
15 que este fenómeno se observaba también en un gran número
de sustancias naturales disueltas en agua. Biot entendió que
este comportamiento se debía a ciertas propiedades estructurales de las moléculas, razón por la cual se refirió a estos compuestos como “sustancias moleculares activas”. El hecho de que
ciertas moléculas pudieran rotar el plano de polarización de la
luz polarizada condujo a la división de las sustancias entre las
que se denominaron ópticamente activas y las ópticamente inactivas. Estos términos todavía se usan hoy en día, y se habla
de moléculas ópticamente activas para hacer referencia a moléculas quirales.
De hecho, Biot y los científicos contemporáneos se dieron cuenta pronto de que casi todas las sustancias orgánicas
(es decir, derivadas de los seres vivos) eran ópticamente activas. En sus estudios sobre el ácido tartárico, Biot observó que
una disolución de sales del ácido tartárico desviaba el plano
de polarización de la luz, y lo hacía en sentido de las agujas
del reloj (a la derecha o dextrógiro), mientras que el ácido racémico no lo desviaba.
Entró entonces en escena Louis Pasteur, un joven químico
francés de 22 años, que observó que los cristales de las sales
de sodio y amonio del ácido tartárico racémico obtenido en el
laboratorio no eran todos iguales, sino que existían como una
mezcla de dos formas cristalinas asimétricas, que eran imágenes especulares no superponibles entre sí. ¿Podía ser que el
ácido racémico fuese la mitad del ácido tartárico natural y la
otra mitad su imagen especular? Esto explicaría que no tuviera
actividad óptica, pues la actividad generada por el primero en
16 un sentido quedaría compensada por la actividad generada por
el segundo en sentido contrario. Con gran paciencia separó
manualmente ambas formas y realizó con ellas dos disoluciones. Cuando la luz polarizada pasó a través de la disolución de
los cristales de forma idéntica a los naturales se observó una
desviación del plano de polarización en el mismo sentido observado para ellos, es decir, a la derecha (dextro), lo que correspondía al denominado ácido (+)-tartárico. Cuando repitió
la medida con la otra disolución hizo su gran descubrimiento:
la disolución rotaba el plano de la luz polarizada un número
de grados exactamente igual pero hacia la izquierda, es decir,
era levorrotatorio, y a este ácido se le denominó ácido ()-tartárico. Este experimento confirmó que el ácido racémico que
no era ópticamente activo era en realidad una mezcla con igual
número de moléculas de las dos formas imágenes especulares,
mientras que el ácido tartárico natural estaba constituido sólo
por una de ellas, la dextrorrotatoria.
Biot, se dio cuenta de la importancia de las medidas de
Pasteur. De hecho, le parecieron tan importantes que le pidió
a aquél que las repitiera en su laboratorio usando sus reactivos
y sus equipos, y bajo su supervisión. En ese momento, 1848,
Biot tenía 74 años y Louis Pasteur sólo 26. Pasteur cuenta la
experiencia junto a Biot con sus propias palabras:
Me llamó para que repitiera ante su vista los diferentes experimentos, y me dio una muestra de ácido racémico que había
examinado previamente y que había comprobado que era completamente inactivo bajo la luz polarizada. Lo preparé delante
de él y también la sal doble de sodio y amonio, para lo cual me
17 dio la sosa y el amoníaco. El líquido para la evaporación se
dejó en una de las habitaciones de su laboratorio y cuando ya
se habían separado entre 30 y 40 gramos de cristales me citó
de nuevo en el Colegio de Francia para que pudiera recoger los
cristales dextrógiros y levógiros delante de él, los separara por
sus características cristalográficas, pidiéndome que verificara la
afirmación de que los cristales que colocaba a su derecha desviarían la luz a la derecha, y los otros a su izquierda. Hecho
esto, me dijo que él se encargaría del resto. Preparó las soluciones haciendo las pesadas con cuidado y cuando iba a ponerlas en el polarímetro me llamó otra vez. Puso en primer lugar
la solución más interesante, la que yo suponía que desviaría el
plano de polarización hacia la izquierda. Antes de hacer la lectura, a primera vista y sólo por el color que daban las dos placas
en el campo del polarímetro de Soleil, se dio cuenta inmediatamente de que había una intensa levorrotación. Entonces, el
ilustre anciano, visiblemente emocionado, cogió mi mano diciendo: “Mi querido colega, he amado tanto las Ciencias durante mi vida que esto hace latir mi corazón”.
Estas observaciones llevaron a Pasteur a proponer años
más tarde lo que sería el fundamento de la estereoquímica, al
afirmar que la actividad óptica de los compuestos orgánicos, y
sus disoluciones, venía determinada por la asimetría molecular
de las moléculas que los constituían.
Biot le regaló a Pasteur su fantástico polarímetro, que
ahora se encuentra en el museo del Instituto Pasteur de Paris,
y se convirtió en su amigo, consejero y defensor. Le ayudó a
conseguir varios puestos en distintas facultades en Francia,
18 pero desafortunadamente murió 10 meses antes de que
Pasteur fuese elegido miembro de la Académie des Sciences
de Francia en 1862.
Quizás no está de más destacar en este momento la importancia que a veces tiene la casualidad o serendipia en los descubrimientos científicos. De hecho, Pasteur tuvo mucha suerte de
estar trabajando en el norte de Francia, y no en el sur, de clima
más cálido, ya que a temperaturas de 27 ºC o superiores las mezclas racémicas no cristalizan de la misma manera, y cuando se
disuelven los cristales obtenidos la rotación óptica es nula.
Otro de los experimentos cruciales de Pasteur, al que se
considera el padre de la microbiología médica, fue demostrar
que el ácido (-)-tartárico no sólo no se originaba directamente
en el proceso de fermentación del vino, sino que además no
participaba en la bioquímica de la fermentación. Los sencillos
experimentos que llevó a cabo consistieron en la adición de algunos nutrientes orgánicos a una disolución acuosa que contenía ácido (+)-tartárico (de origen natural), y comparar con lo
que ocurría con el ácido racémico. Las dos disoluciones fermentaban bajo la acción de hongos como Penicillium, pero la
disolución que contenía el ácido racémico era cada vez más levorrotatoria, hasta que la fermentación se detenía y la rotación
óptica alcanzaba un máximo. Lo que ocurría en el caso del
ácido racémico era que el ácido (+)-tartárico se consumía en
el proceso de fermentación (es el alimento natural del moho),
mientras que el ácido (-)-tartárico, de origen no natural, resultaba ser biológicamente inactivo, y al no consumirse la disolución se iba enriqueciendo en el mismo.
19 El siguiente avance fundamental ocurrió en 1874, cuando
el estudiante holandés Jacobus Henricus van’t Hoff y el químico francés Joseph-Achille Le Bel independientemente propusieron que muchos de los compuestos orgánicos contienen
un átomo de carbono central y cuatro sustituyentes unidos al
mismo y orientados hacia los vértices de un tetraedro imaginario. Van’t Hoff postuló que cuando existen cuatro grupos diferentes colocados en disposición tetraédrica alrededor de uno
de sus átomos de carbono, al que se denomina centro estereogénico, la molécula debería presentar isómeros no superponibles
con su imagen especular, y por tanto deberían ser quirales.
Estos compuestos pueden existir en dos formas, denominadas enantiómeros, que se diferencian únicamente por la disposición en el espacio de esos cuatro sustituyentes. Esta idea,
que fue inicialmente ridiculizada por sus colegas, en la actualidad se reconoce como la base del entendimiento de la estructura molecular de los compuestos orgánicos. De hecho,
Van’t Hoff recibió en 1901 el Premio Nobel de Química por
su contribución al estudio de la estructura tridimensional de
los compuestos quirales.
Un ejemplo básico de un compuesto quiral es el aminoácido alanina, que puede existir en dos formas en las que sus
átomos están conectados unos a otros en el mismo orden, pero
difieren en su disposición en el espacio, es decir, son estereoisómeros, y al ser imágenes especulares no superponibles son
enantiómeros.
20 Nomenclatura de los compuestos quirales
A lo largo del tiempo se han desarrollado distintos sistemas de
nomenclatura para indicar de manera inequívoca la estructura
de las moléculas quirales. Algunas de ellas son anteriores a la
primera determinación de la estructura absoluta de una molécula quiral, realizada en 1951 por los cristalógrafos holandeses Bijvoet, Peerdeman y Von Bommel.
Emil Fischer sugirió en 1891 un sistema en el que se relacionaba a los compuestos quirales con el gliceraldehído. En
esa época se conocían dos formas del gliceraldehído (isómeros) que eran idénticas en su composición y en sus propiedades físicas; ambas eran ópticamente activas, pero una de ellas
rotaba el plano de polarización de la luz polarizada hacia la
izquierda, mientras que la otra lo hacía hacia la derecha. A la
sustancia que inducía una rotación positiva (en el sentido de las
agujas del reloj), es decir que era dextrorrotatoria, se la denominó (+)-gliceraldehído, y a la que inducía una rotación negativa (en el sentido contrario a las agujas del reloj), es decir era
levorrotatoria, se la denominó (-)-gliceraldehído.
Para nombrar a las moléculas orgánicas quirales Fischer
propuso un sistema que intentaba representar la geometría
tetraédrica de un centro estereogénico. En la Figura 1 aparece aplicada al caso de los enantiómeros del gliceraldehído.
Para la correcta asignación de una estructura, la cadena carbonada se sitúa en dirección vertical, con los grupos que la integran en dirección a la parte posterior del plano, hacia detrás.
La cadena se orienta con la parte más oxidada hacia arriba y
21 la más reducida hacia abajo. Los sustituyentes que no integran la cadena carbonada quedan horizontales y están dirigidos hacia la parte anterior del plano. En esta representación
se denominó enantiómero D al que presenta el grupo funcional a la derecha desde el punto de vista del observador (en
este caso el grupo OH), y L al que tiene el grupo funcional a
la izquierda. En 1891 Fischer no podía saber que la estructura del gliceraldehído que tenía rotación positiva era la forma
que denominó D, ya que hasta 1951 no se determinó mediante
cristalografía de rayos X la estructura absoluta de un compuesto con el que se podía correlacionar químicamente. Se
trataba pues de una propuesta con una probabilidad del 50%
de ser correcta, cosa que finalmente ocurrió. Las notaciones
D y L propuestas por este sistema todavía se usan en determinados contextos.
Sin embargo, algunas limitaciones de esta nomenclatura
propuesta por Fischer condujeron al desarrollo de nuevos sistemas. En concreto, en 1956 el presidente de la Royal Society
of Chemistry, Sir Christopher Ingold, el editor del Chemical
Society Journal, Robert Cahn, y el químico suizo Vladimir
Prelog, ganador del Premio Nobel de Química en 1975, diseñaron un sistema (a menudo denominado sistema CIP), para
indicar la distribución espacial de los sustituyentes de las moléculas quirales de una manera inequívoca. Este sistema está
basado en el ordenamiento de los cuatro sustituyentes de un
centro estereogénico, estableciendo unas reglas de prioridad
que dependen del número atómico (el mayor número atómico
supone la máxima prioridad). Se usan reglas adicionales para
22 CHO
HOH2C
C
OH
H
CHO
H
C
OH
CH2OH
H
CHO
OH
CH2OH
D-(+)-gliceraldehído
HO
CHO
H
CH2OH
L-(-)-gliceraldehído
Figura 1. Proyecciones de Fischer de los dos enantiómeros del
gliceraldehído.
establecer la prioridad relativa en situaciones en las que los
átomos de los sustituyentes directamente unidos al C este­reo­
génico sean los mismos. Una vez que se establecen las prioridades, las estructuras se orientan de tal modo que el sustituyente
de menor prioridad, 4, se coloca en la posición más alejada del
observador, y se describe un giro desde el sustituyente de mayor
prioridad, 1, hasta el de prioridad 3 pasando por el de prioridad 2. Si este giro es en el sentido de las agujas del reloj se
dice que el centro tiene configuración R y si es en el contrario se dice que tiene configuración S.
La vida es asimétrica
Los enantiómeros tienen propiedades químicas y físicas idénticas en ausencia de una influencia quiral externa. Sólo hay
una propiedad en la que los enantiómeros difieren en estas
23 condiciones, y es el sentido en el que desvían el plano de polarización de la luz polarizada. Sin embargo, el aspecto más
importante a destacar, como veremos, es que el modo en el
que cada uno de los enantiómeros de un compuesto determinado interacciona con otras moléculas también quirales puede
ser distinto, de la misma manera que una mano izquierda interacciona de manera diferente con un guante de la mano izquierda y otro de la mano derecha.
Pasteur reconoció la importancia de la estructura molecular tridimensional, y en particular la importancia de la asimetría molecular, llegando a la conclusión de que la naturaleza
en conjunto es quiral, es decir, asimétrica.
La vida tal como se nos manifiesta es función de la asimetría del universo y de las consecuencias de este hecho. El
universo es asimétrico. La vida está dominada por acciones
asimétricas… Puedo incluso imaginar que todos los organismos vivos son primordialmente en sus estructuras y en sus formas externas una función de la asimetría cósmica.
Pasteur se dio cuenta de la tendencia de los organismos
vivos a producir moléculas quirales no como mezclas racémicas o mezclas equimoleculares de los dos enantiómeros, sino
en forma enantioméricamente pura, y postuló la existencia de
una “fuerza disimétrica” en la Naturaleza, que daría lugar a una
tendencia intrínseca y permanente por una quiralidad específica en las biomoléculas de los seres vivos.
24 En 1951 Linus Pauling, Robert Corey y Herman Branson
publicaron un artículo fundamental sobre la estructura helicoidal de las proteínas. Fischer había demostrado 50 años antes
que las proteínas eran cadenas lineales formadas por combinación de aminoácidos, pero no se conocía su estructura tridimensional. Hoy en día sabemos que para la formación de las
proteínas esenciales para la vida casi todos los seres vivos en
la Tierra usan sólo 20 aminoácidos, presentando todos estos
configuración L. Como consecuencia de ello, las hélices alfa de
las proteínas describen un giro hacia la derecha.
Otros constituyentes fundamentales de la vida son los hidratos de carbono. Los hidratos de carbono simples (monosacáridos) presentes en las biomoléculas están constituidos en
general por cadenas de 5 a 8 átomos de carbono, y casi todos
ellos son de configuración D, lo que constituye otro ejemplo
de manifestación de la asimetría en los seres vivos. Hidratos
de carbono de gran importancia son la D-ribosa y la 2-desoxiD-ribosa, que en forma cíclica en una larga cadena polimérica,
conectadas por unidades fosfato (PO43-) y combinadas con las
denominadas bases púricas y pirimidínicas, se encuentran en
el núcleo de todas las células vivientes, constituyendo los ácidos nucleicos, ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribonucleico (ADN). La estructura tridimensional del ADN se
publicó en un trabajo fundamental de James Watson y Francis
Crick en 1953, quienes propusieron un modelo de doble hélice
que describe nuevamente un giro hacia la derecha.
25 El origen de la quiralidad
en los sistemas vivos
Así pues, las moléculas más importantes que existen en las células de los seres vivos sobre la Tierra son, en su mayoría, quirales. Además, desde hace más de 100 años sabemos que las
proteínas, que constituyen casi toda la materia viva, y los ácidos
nucleicos, ADN y ARN, están constituidos por sólo una de las
imágenes especulares de los aminoácidos y de algunos hidratos de carbono. Hace poco más de 60 años se ha podido determinar cuál de los dos posibles enantiómeros estaba presente
en cada caso. El hecho de la quiralidad única de las moléculas
biológicas, lo que se denomina homoquiralidad (exclusivamente
los aminoácidos de la serie L y los hidratos de carbono de la
serie D), nos conduce a formularnos varias preguntas.
1. ¿Es necesario que todos estos compuestos que sustentan la vida sean enantiómeros puros para que la vida
exista o podría estar la vida basada en compuestos racémicos o moléculas aquirales?
2. ¿Podría desarrollarse la vida usando D -aminoácidos e
hidratos de carbono de la serie L? Es decir, ¿sería posible un mundo que fuese completamente la imagen especular del que conocemos? Tanto desde el punto de
vista molecular como macroscópico, no parece haber
ninguna razón por la que no pudiera existir una vida
imagen especular de la existente en la Tierra, ya que en
principio no hay diferencia de energía entre los sistemas
enantioméricos.
26 3. Si la respuesta a la segunda pregunta es positiva, entonces ¿por qué en la práctica la vida sobre la Tierra usa
los aminoácidos L y los hidratos de carbono D y no sus
imágenes especulares? ¿Qué es lo que sirvió de molde
para influenciar la producción de un enantiómero sobre
el otro? ¿Y cómo se sostuvo esta preferencia y se propagó para dar lugar a esa única quiralidad que nos rodea?
La vida ha tenido billones de años para desarrollar los procesos químicos que tienen lugar en los seres vivos, y sin duda
la situación alcanzada debe ser la de máxima eficiencia energética. En realidad no parece tener mucho sentido que los seres
vivos empleasen energía para producir mezclas de los dos enantiómeros de las biomoléculas cuando en realidad se va a usar
sólo uno de ellos. Por otra parte, sería igualmente ineficiente
un sistema vivo que partiendo de biomoléculas racémicas funcionase mediante dos caminos competitivos. Por ejemplo, para
que una “vida racémica” fuera tan eficiente como la “vida homoquiral” que conocemos, los organismos estarían forzados a
utilizar dos o más conjuntos de enzimas. El funcionamiento
de tales organismos sería mucho más complicado que el que
emplea un único conjunto de enzimas.
Para encontrar respuestas al origen de la homoquiralidad en los seres vivos es necesario intentar entender la posible cadena de acontecimientos que condujo a la actual vida
en la Tierra. Para ello se han llevado a cabo numerosos experimentos basados en la hipótesis de que las moléculas orgánicas pudieron surgir por acción de las descargas eléctricas
27 y/o a la luz UV sobre los constituyentes de la atmósfera de la
Tierra primitiva.
En 1953 Stanley Miller y Harold Urey realizaron en la
Universidad de Chicago un experimento fundamental en la
historia de la ciencia. Empleando condiciones que podrían ser
similares a las de la Tierra primitiva, prepararon una mezcla
de gases que contenía metano (CH4), amoníaco (NH3), agua
(H2O) e hidrógeno (H2), y la sometieron a descargas eléctricas que simulaban la posible fuente de energía que podría provenir de relámpagos y rayos. Tras una semana observaron que
entre el 10 y 15% del carbono que provenía del metano se había
convertido en compuestos orgánicos, entre ellos trece aminoácidos de los veinte utilizados en los seres vivos para construir
proteínas. Con este experimento se demostró de una manera
muy elegante que los bloques básicos sobre los que se asienta
la vida se podrían originar a partir de moléculas simples. Sin
embargo, en lo que se refiere a la respuesta sobre el origen de
la homoquiralidad, este experimento no aportó luz alguna,
porque como era de esperar todos los aminoácidos se obtuvieron en forma racémica.
Parece razonable pensar que los primeros hidratos de carbono y los aminoácidos, o sus precursores, podrían haberse
formado de la misma manera, surgiendo de un singular suceso químico a partir del cual algunas especies moleculares
se auto­rreplicaron y encontraron una fuente de energía para
continuar el proceso. Es evidente que sin la influencia de una
fuerza quiral externa, o sin la influencia de sistemas vivos quirales, la formación de estos pilares fundamentales de la vida
28 habría conducido igualmente a mezclas racémicas. ¿Cómo se
llegó pues a la homoquiralidad, es decir a la ruptura de la simetría y al desequilibrio total entre enantiómeros observado
en las biomoléculas presentes en los seres vivos?
Quiralidad extraterrestre
Algunas propuestas recientes apuntan hacia un origen extraterrestre para la homoquiralidad de las biomoléculas esenciales. Es decir, consideran la posibilidad de que organismos vivos
(formados ya por moléculas quirales) llegaran a la Tierra desde
el espacio exterior, “infectando” nuestro planeta.
Para apoyar esta teoría se han llevado a cabo numerosos estudios de los meteoritos que han llegado a la Tierra tras sobrevivir a la dura trayectoria a través de la atmósfera terrestre. Uno
de los más ampliamente estudiados es el meteorito Murchison,
que cayó unos 100 km al norte de Adelaida, en Australia, en
1969. Las investigaciones realizadas demostraron que contenía una gran cantidad de compuestos orgánicos, entre los que
destacaba la presencia de 92 aminoácidos, de los cuales 19 estaban incluidos en los 20 necesarios para la vida en la Tierra.
Sorprendentemente, estos aminoácidos no resultaron ser racémicos, sino que presentaban un desequilibrio entre la proporción de las dos formas enantioméricas de las moléculas quirales,
que se mide normalmente en términos del denominado exceso
enantiomérico (ee), siendo ee = (M) – (m), donde M y m son
los porcentajes de los enantiómeros mayoritario y minoritario,
29 respectivamente. Curiosamente se demostró la existencia de un
predominio del enantiómero L , el mismo predominante en la
Tierra. Surge naturalmente la pregunta sobre las posibles causas
de la coincidencia de la preferencia quiral en la Tierra y en el
meteorito. Sin embargo, la fiabilidad de las medidas realizadas
sobre el meteorito Murchison se pusieron en duda considerando
la existencia de una posible “contaminación quiral”. Una vez
que un meteorito o una partícula de polvo entra en la Tierra, se
expone a un sistema en el que dominan los L-aminoácidos. La
concentración de moléculas orgánicas quirales es tan pequeña
en estas muestras extraterrestres, y los excesos enantioméricos son tan pequeños, que no sería necesaria una impurificación muy elevada para que la contaminación fuese significativa.
Por tanto, para que las pruebas fueran más concluyentes
sería esencial que se pudieran obtener en ausencia de esa interacción terrestre. Una contribución que puede ser esencial en
este campo se espera de los experimentos programados para la
nave Philae, módulo de aterrizaje de la sonda espacial Rosetta.
Rosetta descendió el 12 de noviembre de 2014 sobre el cometa 67P/Churiumov-Guerasimenko, que se encuentra a 515
millones de km de la Tierra y a 3 unidades astronómicas (AU)
del Sol. El nombre del módulo se debe a la isla del río Nilo
Philae, en la que se encontró un obelisco que sirvió, junto con
la piedra Rosetta, para avanzar en el descifrado de los jeroglíficos egipcios. Por otra parte, la zona del cometa fijada para
el aterrizaje de la sonda se denomina Agilkia, por la isla en la
que se encuentran en la actualidad una serie de templos antes
situados en la isla Philae.
30 Philae se separó de Rosetta, y siete horas más tarde alcanzó la superficie en la región de Agilkia, tal y como estaba planeado. Lamentablemente, los arpones y el sistema de
gas que debían garantizar un agarre firme fallaron y la sonda
rebotó dos veces. Después de volver a ascender, la nave cayó
después en una zona bautizada como Abydos. Philae acabó
de lado y con los paneles solares parcialmente en sombra, lo
que terminaría por condenarla, al menos momentáneamente.
Sin embargo, una ventaja inesperada del doble aterrizaje es
que la sonda fue capaz de comparar en detalle dos zonas muy
distintas de la superficie del cometa. Ocho meses después del
aterrizaje forzoso sobre Chury se puede analizar qué descubrió durante sus 63 horas de trabajo contrarreloj antes de que
se agotasen las baterías. No cabe duda de que los resultados
más esperados eran los que deberían obtener los instrumentos Ptolemy y COSAC, destinados a estudiar la composición de Chury.
Ptolemy puede medir las proporciones de isótopos estables de elementos como H, C, N y O, y puede actuar adicionalmente en modo analítico como un espectrómetro de masas
para analizar volátiles. Ptolemy estudió el gas ambiente de la
coma (la atmósfera del cometa), y detectó vapor de agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono y varias sustancias orgánicas, como el formaldehído. Por otra parte, registró datos
que sugieren la presencia de un polímero inducido por radiación en su superficie, y confirmó la ausencia de compuestos
aromáticos, como el benceno.
31 Por otra parte, el espectrómetro de masas COSAC
(Cometary Sampling and Composition) fue capaz de analizar muestras del polvo levantado por la sonda durante su aterrizaje fallido en la región de Agilkia, y pudo encontrar hasta
16 compuestos orgánicos y distintos compuestos de nitrógeno,
incluyendo cuatro (acetamida, isocianato de metilo, propanal y
acetona) que no habían sido detectados en un cometa con anterioridad. Ninguno de los dos instrumentos lograron detectar ningún compuesto con azufre en la superficie del cometa.
Todos los compuestos orgánicos detectados por COSAC
podrían formarse en principio por irradiación con UV o radiolisis de hielos debido a la incidencia de rayos galácticos y
solares: los alcoholes y los compuestos carbonílicos derivarían
del monóxido de carbono (CO) y del agua (H 2O), así como las
aminas y los nitrilos del metano (CH4) del amoníaco (NH3).
La hidrólisis de nitrilos produciría amidas, que podrían dar
lugar a isocianatos por isomerización.
Desde un punto de vista astrobiológico, lo más importante
es que varios de los productos hallados en el polvo cometario se
pueden considerar precursores de la vida, ya que intervienen en
la formación de aminoácidos esenciales o forman parte de las
bases nucleicas. Así, el aldehído glicólico (CH2OHCHO) sería
un iniciador eficiente de la formación prebiótica de los hidratos
de carbono. El ácido cianhídrico (HCN) es una molécula clave
en la síntesis prebiótica de aminoácidos y las bases nucleicas,
e incluso está involucrado en una ruta elegante para la síntesis
de hidratos de carbono. La formamida (HCONH2) proporciona igualmente una ruta prebiótica para las bases nucleicas.
32 La formamida y la acetamida (CH3CONH2) catalizan la fosforilación de nucleósidos y nucleótidos, en la que las aminas
juegan también un papel fundamental. Los isocianatos son claves en la síntesis prebiótica de péptidos dentro de la denominada ruta del isocianato.
Buena parte de los datos recogidos y enviados por Philae
durante sus primeras 60 horas en el cometa todavía no han sido
analizados. Adicionalmente se espera que el módulo Philae,
tras despertar de sus ocho meses de sueño, pueda seguir enviando datos. La nave Philae es la primera en incluir un experimento destinado a detectar moléculas quirales fuera de nuestro
planeta utilizando para ello la cromatografía con fases estacionarias quirales, que permite separar enantiómeros y determinar la proporción relativa de los mismos. El sistema consta de
un total de ocho columnas que difieren en el grosor de la fases
estacionarias, en su diámetro y longitud. Cinco de ellas son
estándar para separar distintas moléculas y las otras tres son
columnas quirales que se pueden usar para el análisis de las
moléculas orgánicas quirales. Estas técnicas deberían permitir
el estudio de la proporción de los posibles aminoácidos quirales, que aunque todavía no han podido ser realizados, presentan el máximo interés en el contexto del tema que nos ocupa.
Pero, supongamos por un momento que se demostrase la
existencia de un desequilibrio entre los dos enantiómeros de
los aminoácidos en los meteoritos. ¿Cuál podría ser el origen
de la desviación de las mezclas racémicas? ¿Habría que admitir que el universo puede proporcionar un ambiente quiral a las moléculas presentes en el espacio exterior, generando
33 los excesos enantioméricos que podría finalmente afectar a la
Tierra y comenzar la química autorreplicante que conduciría
a la vida homoquiral?
De acuerdo con recientes teorías, la “ruptura de la simetría” podría ser en última instancia el resultado de la destrucción parcial de un enantiómero de los aminoácidos iniciales,
formados en el polvo de cometas en forma racémica, mediante
la acción de la radiación circularmente polarizada, que constituye el 17% de la radiación estelar. La exposición de una mezcla
racémica orgánica en el espacio exterior a radiación polarizada circularmente de alta energía podría conducir a un exceso
enantiomérico si uno de los dos enantiómeros absorbe preferencialmente la radiación y se destruye por tanto preferencialmente, conduciendo a un exceso de las especies que absorben
débilmente esta radiación. Ambos enantiómeros absorberían la
radiación y serían destruidos, pero uno se destruiría fotoquímicamente mucho más rápidamente que el otro. Mientras mayor
fuese la exposición a la luz polarizada circularmente, más ópticamente activas se volverían las mezclas, aunque una exposición demasiado larga destruiría todas las moléculas. Se estima
que la máxima relación de enantiómeros que se podría obtener mediante este proceso podría llegar a ser de 55:45 (exceso
enantiomérico del 10%).
34 Origen terrestre de la homoquiralidad
Por otra parte, junto al propuesto origen extraterrestre de la
homoquiralidad, la posibilidad de que este desequilibrio se
originase en la Tierra supone distinguir entre si la vida estaba predeterminada para estar basada en hidratos de carbono D y aminoácidos L , o si esto ocurrió por azar. En este
último caso habría que admitir la probabilidad de la existencia de una forma de vida basada en la quiralidad opuesta. En
cualquier caso sería bastante lógico pensar que en un universo
que fuese la imagen especular del que habitamos, las leyes de
la química y de la física fuesen las mismas. Sin embargo esta
conclusión es incorrecta en el caso de la física de las partículas
elementales. Existen cuatro tipos de fuerzas en el universo: la
gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte, y la
fuerza nuclear débil. En la elaboración de las estructuras del
Modelo Estándar (el conjunto de leyes que gobiernan la materia) los físicos han ido concediéndole cada vez mayor importancia a los órdenes simétricos, lo que ha dado lugar a complejos
principios de conservación, igualdades, trasformaciones, etc. La
propiedad que se usa para describir el efecto de la reflexión se
conoce como la paridad. Si algo permanece inalterado tras la
reflexión, se dice que se conserva la paridad, y en caso contrario se dice que no se conserva la paridad. En la práctica, antes
de 1956 se creía que la paridad se conservaba en todos los sistemas, pero posteriormente se verificó que esto no era así en
el caso de las llamadas interacciones nucleares débiles. Se descubrió entonces que en los fenómenos en los que está involucrada la fuerza nuclear débil se produce una anomalía que se
35 denominó “violación de la paridad”. En este contexto, se observó que el decaimiento β de los núcleos atómicos viola (en
contraste con otras fuerzas físicas fundamentales) el principio de paridad, es decir, este proceso no ocurre con la misma
probabilidad que su imagen en el espejo. Este descubrimiento
implica que las partículas β emitidas por núcleos radioactivos
son intrínsecamente asimétricas: los electrones L “izquierdos”
se forman preferentemente en relación a los electrones D “derechos”. La consecuencia más importante de estas observaciones es que conducen a la consideración de que existe quiralidad
a nivel de partículas elementales. Así, en principio es factible
que la homoquiralidad de las moléculas biológicas esenciales
(aminoácidos, proteínas, hidratos de carbono, nucleótidos, ácidos nucleicos, etc.) pudiera ser consecuencia de la quiralidad
intrínseca de las partículas elementales.
Así pues, si los átomos pueden en realidad describirse
como quirales, habría que redefinir lo que hemos denominado
enantiómeros. Cuando hemos considerado los enantiómeros
de las moléculas a través de sus imágenes especulares hemos
modificado la disposición de los sustituyentes en el espacio,
pero hemos considerado que los núcleos permanecían iguales.
En realidad si sólo se cambia el aspecto espacial, los dos lados
del espejo no son verdaderos enantiómeros, y no tendrán por
tanto la misma energía. El cálculo de la diferencia de energía
entre enantiómeros, debido al hecho de que el núcleo es quiral, ha sido objeto de numerosas investigaciones. Algunos de
estos cálculos para el caso de los aminoácidos D y L han llevado a un valor para la diferencia de energía de 10-38 J, con una
36 preferencia por los enantiómeros L . Este valor es muy pequeño,
y estadísticamente supondría que en 1018 moléculas habría una
molécula más de aminoácido L que de aminoácido D debido a
la no conservación de la paridad.
Por otra parte, entre las teorías sobre el origen de la homoquiralidad basadas en el azar se encuentra la síntesis asimétrica
espontánea, que considera la síntesis de compuestos enantioenriquecidos sin el concurso de ningún factor quiral. Aunque
en principio en esta situación se debería obtener una relación
molecular de enantiómeros 1:1, hay que tener en cuenta que
cualquier número impar de moléculas tiene por definición rota
la simetría. Fluctuaciones en el ambiente físico y químico podrían dar lugar a fluctuaciones transitorias en el número de
moléculas de cada enantiómero. Sin embargo, cualquier proceso que desequilibrase el balance creado de esta manera debería alcanzar la media para llegar al racémico, a menos que
interviniese algún proceso que lo mantuviese o lo amplificase.
En resumen, es posible que las moléculas orgánicas quirales llegaran a la Tierra hace billones de años desde el mundo
exterior, o alternativamente que haya una diferencia de energía entre los enantiómeros, que podría dar lugar a una diferencia natural en la concentración de los diferentes enantiómeros.
En ambos casos se esperaría una mezcla no racémica que facilitaría los procesos que pudieron dar lugar al origen de la
vida con unas materias de partida enriquecidas enantioméricamente. Pero surge una pregunta inmediata: ¿Cuanto se necesitaría de ese exceso para justificar la homoquiralidad? ¿Sería
suficiente el 10% de ee al que conducen las predicciones más
37 optimistas de la fotodestrucción en el espacio, o la única molécula entre 1018 según predice la violación de la paridad?
La amplificación del desequilibrio.
Homoquiralidad y autocatálisis
Para entender cómo una pequeña diferencia energética pudo
haber dado lugar a un estado homoquiral en un planeta como
el nuestro, es necesario asumir la existencia de algún tipo de
mecanismo de amplificación capaz de transformar un pequeño
exceso de un enantiómero en un escenario homoquiral, y en este
contexto surge un concepto fundamental: la autocatálisis asimétrica. La autocatálisis asimétrica se define como la reacción en
la que un producto quiral actúa acelerando la reacción que conduce a su propia formación. Así, si dos productos aquirales A y
B reaccionan a una determinada velocidad para dar el producto
P*, la presencia de P* aumenta esta velocidad. El propio producto actúa como lo que se denomina “catalizador quiral” para
su propia multiplicación, en un proceso de tipo autocatalítico.
La autocatálisis podría tener una gran importancia para
explicar cómo, a partir de un pequeño exceso, por ejemplo de
un producto L , podría tener lugar una reacción en la que ese
mismo producto L se formase más rápidamente que el producto D, en una competencia que, aunque lenta, condujera finalmente a la homoquiralidad.
Durante más de medio siglo se han propuesto y discutido
modelos teóricos de cómo un pequeño desequilibrio inicial en
38 la concentración de enantiómeros podría finalmente terminar
en la producción de un único enantiómero, pero sólo recientemente se ha abordado la realización de estudios experimentales para resolver esta cuestión directamente.
En 1953, el profesor F. C. Frank, de la Universidad de
Bristol, desarrolló un modelo matemático para el posible mecanismo de una reacción autocatalítica que pudiera, en última
instancia, servir para explicar la evolución hasta la homoquiralidad a partir de una pequeña diferencia entre los enantiómeros L y D. El modelo está basado en una idea simple: una
sustancia que actúa como catalizador en su propia formación
y al mismo tiempo actúa suprimiendo la síntesis de su enantiómero permitiría la formación de moléculas con una quiralidad única a partir de una mezcla casi racémica. Las dudas
de Frank sobre la posibilidad de descubrir experimentalmente
una reacción con estas características quedó de manifiesto en
la última frase de su artículo puramente teórico: “Puede que
no sea posible una demostración experimental”.
En la propuesta de Frank destaca el papel fundamental que
juega el proceso de inhibición en los modelos autocatalíticos
para la evolución de la homoquiralidad. En un pequeño grupo
de enantiómeros L y D, que actuarían como autocatalizadores
reaccionando sobre un conjunto ilimitado de moléculas sustrato,
cada enantiómero sería capaz de reproducirse él mismo en una
reacción con una molécula del sustrato. Además, sería necesario que existiera un “antagonismo mutuo” entre los dos enantiómeros, de manera que cuando reaccionaran juntos, los dos
se desactivaran y perdieran la capacidad para autorreplicarse.
39 Supongamos un ejemplo sencillo en el que existiera un conjunto original con un desequilibrio de una molécula extra del
enantiómero L frente al número total de moléculas del enantiómero D, por ejemplo 3:2. Si por azar una molécula L y otra D se
encontrasen se desactivarían, mientras que las demás moléculas
permanecerían en el medio y se autorreproducirían, obteniéndose una mezcla de enantiómeros en una proporción 4:2. Si se
repitiera el mismo proceso la mezcla pasaría a ser 6:2, después
10:2, y así sucesivamente. En cada ciclo se perdería una pareja
de enantiómeros D y L en virtud del antagonismo mutuo, y por
ello la autoproducción de enantiómeros haría que la relación L:D
creciera como consecuencia del desequilibrio inicial. Así, la concurrencia de la autocatálisis y el antagonismo mutuo propagarían y amplificarían el desequilibrio de enantiómeros. El único
problema es que mientras más pequeño fuese el desequilibrio
inicial, mayor sería el número de moléculas de ambos enantiómeros que se perderían en el proceso de desactivación antes de
que tuviese lugar un enantioenriquecimiento significativo. Sin
embargo, si la muestra inicial fuese suficientemente grande, la
productividad podría ser alta, y dominaría la formación autocatalítica de un determinado enantiómero.
Morowitz en 1969 propuso que un modelo similar podría
aplicarse para explicar el proceso mediante el cual un pequeño
exceso enantiomérico presente en un aminoácido quiral se hubiese amplificado bajo las condiciones prebióticas, teniendo en
cuenta el hecho de que la mayoría de los aminoácidos forman
“compuestos racémicos” cristalinos que son menos solubles y
presentan puntos de fusión más altos que los cristales de los
40 enantiómeros puros L o D. La idea consiste entonces en que
dada una mezcla D/L de un aminoácido con un ligero exceso
enantiomérico del enantiómero L disuelta en agua (en la “sopa”
primitiva), al evaporarse el agua se favorecería la precipitación
del racemato que es menos soluble, y la disolución remanente
se enriquecería en el componente L .
Prueba del concepto de autocatálisis.
La reacción de Soai
Más de cuarenta años después se descubrió la primera prueba
experimental del concepto de autocatálisis, cuando Soai y
colaboradores describieron en 1995 la alquilación autocatalítica de pirimidil aldehídos con reactivos de dialquilzinc.
Sorprendentemente, esta reacción originó el producto con un
exceso enantiomérico muy alto partiendo de un exceso enantiomérico muy bajo del catalizador quiral original y se aceleró
por adición de cantidades catalíticas del alcohol producto de
la misma (Figura 2).
Tras este descubrimiento inicial, y como continuación de
estos estudios, Soai y colaboradores realizaron otras observaciones destacables de la amplificación asimétrica en la reacción que
lleva su nombre. Se han descrito ee de hasta el 85% para esta reacción empleando un iniciador con un 0,1% de ee por exposición
a luz polarizada circularmente. También se ha observado que
la amplificación asimétrica se puede desencadenar como consecuencia de la morfología de cristales inorgánicos quirales, como
41 el cuarzo, el clorato sódico y el cinabrio. Esto sugiere la posibilidad de que cristales similares sirvieran como superficies quirales accesibles en la evolución prebiótica de compuestos quirales.
autocatálisis asimétrica
con amplificación del
exceso enantiomérico
O
N
R
H
N
N
+
2
Zn
R
(S)-DAIB
ee 15%
N
R
O
N
OH
N
ee 95%
hidrólisis
Zn
Figura 2. Reacción de Soai, primer ejemplo de autocatálisis asimétrica.
Adicionalmente, existen compuestos orgánicos aquirales
que forman cristales enantiomorfos, como la base nitrogenada
aquiral citosina. La cristalización quiral espontánea de un compuesto orgánico aquiral y sus consiguientes reacciones estereoespecíficas usando cristales como sustratos se han considerado
igualmente como importantes candidatos para el origen de la
homoquiralidad.
La corroboración mecanística del modelo de Frank fue
publicada en el año 2001 por Blackmond y Brown, que desarrollaron un modelo basado en medidas altamente precisas del
progreso de la reacción de Soai. El modelo cinético propuesto
42 era capaz de predecir tanto el grado temporal de amplificación asimétrica como la concentración relativa de las especies
catalíticas. El modelo de Blackmond/Brown racionaliza la
amplificación asimétrica en la reacción autocatalítica de Soai
basándose en una extensión del modelo de Kagan para los denominados efectos no lineales, que se observan en las reacciones catalíticas en las que el exceso enantiomérico del producto
de la reacción no se correlaciona linealmente con el exceso
enantiomérico del catalizador. Un comportamiento de este tipo
se puede observar en los casos en los que las moléculas del catalizador se agregan para formar especies de mayor orden. El
modelo ML2 concretamente considera la formación de dímeros homoquirales (RR y SS) y heteroquirales (SR) a partir de
las especies monoméricas R y S. La concentración relativa de
esas especies depende de la constante de equilibrio K D.
Khomo
R + R
SS
Khetero
R + S
KD
SR
[SR]
=
[RR] · [SS]
=
Khomo
2
Khetero
El modelo de Kagan propone que los dos dímeros homoquirales podrían actuar como catalizadores enantioméricos,
originando los dos enantiómeros del producto de la reacción
43 en procesos paralelos que transcurrirían con idénticas constantes de velocidad, mientras que el dímero heteroquiral produciría el producto racémico con una constante de velocidad que
podría ser diferente de la de las reacciones en las que intervienen los catalizadores homoquirales. En cualquier sistema en
el que el catalizador dimérico heteroquiral fuese menos activo
que los correspondientes homoquirales se observaría amplificación asimétrica. Un valor de K D = 4 indicaría una distribución estocástica no selectiva de dímeros, y valores mayores
de K D indicarían una distribución con preferencia por las especies heteroquirales.
En una reacción autocatalítica, en la que el catalizador acelerase su propia formación, y en la que existiese antagonismo
mutuo, el enantiómero minoritario se eliminaría del medio a
través del dímero heteroquiral, y la concentración relativa de los
dos enantiómeros no quedaría fijada por el valor inicial, como
ocurre en un sistema catalítico estático. En su lugar, en un sistema autocatalítico que siguiese el modelo dimérico, la concentración del catalizador aumentaría, y la concentración relativa
de los dos dímeros homoquirales cambiaría a medida que progresase la reacción. El exceso enantiomérico final del producto
que podría conseguirse en esta reacción autocatalítica estaría limitado sólo por la cantidad de sustrato, no por la magnitud de
K D. Considerando como ejemplo una reacción con un catalizador con un 1% ee y K D= 1 / 4 × 4, en un sistema autocatalítico
se podría alcanzar la homoquiralidad después de 5.000 ciclos.
La amplificación del exceso enantiomérico en la autocatálisis
no requeriría, por tanto, una sofisticada estereoselección, sino
44 sólo una mayor actividad de los dímeros homoquirales, que se
repetiría a través de muchos ciclos autocatalíticos.
Así pues, el modelo de dímeros proporcionaría una posible respuesta simple y elegante para el misterio de la evolución
hacia la homoquiralidad. Si, como en el caso de la reacción de
Soai, las reactividades relativas de los dímeros le diesen ventaja a los dímeros homoquirales, la amplificación y finalmente
la homoquiralidad estaría asegurada incluso si la formación de
los dímeros no fuese selectiva. La estadística (formación estocástica del dímero) y un toque de suerte (menor actividad del
dímero heteroquiral) serían prerrequisitos suficientes.
Más recientemente Blackmond y colaboradores han desplazado sus estudios sobre modelos para racionalizar el origen de la
homoquiralidad biológica desde estas propuestas basadas puramente en reacciones químicas a otras basadas en el comportamiento físico de fases de las moléculas quirales y en la combinación
de procesos físicos y químicos. Se ha demostrado que se pueden
obtener disoluciones altamente enriquecidas de aminoácidos a
partir de mezclas racémicas mediante un particionamiento disolución-sólido de los enantiómeros. Las reacciones catalizadas por
aminoácidos que se han llevado a cabo en estos sistemas muestran un comportamiento no lineal consistente con una composición altamente enantioenriquecida de la disolución. La aplicación
de este concepto se ha ampliado notablemente con el descubrimiento de composiciones eutécticas que podían ser “moduladas”
mediante la elección adecuada de aditivos que alteran la estructura
del cristal y su solubilidad. En contraste con los modelos de reacciones autocatalíticas, que suponen comportamientos “lejos del
45 equilibrio”, este modelo eutéctico constituye un puro tratamiento
de equilibrio. Esta distinción tiene implicaciones importantes
para escenarios que tienen que ver con el intervalo de tiempo en
el que la evolución de la homoquiralidad puede haberse desarrollado. El comportamiento de fase de los aminoácidos unido a la
racemización en disolución ha permitido comprobar que un enantiómero sólido de un compuesto puede transformarse completamente en el otro a partir de una mezcla casi racémica de los dos.
Puesto que la interconversión en disolución permite a un enantiómero que había sido parte de un cristal L llegar a formar parte
de un cristal D, este proceso se ha denominado “amnesia quiral”.
Aunque las condiciones experimentales de la reacción de
Soai no son en absoluto cercanas a las que se podrían considerar
para un posible proceso prebiótico, puesto que emplea compuestos orgánicos y organometálicos muy sensibles al agua, proporciona un modelo experimental que ayudar a entender como
la autocatálisis en combinación con la inhibición podría conducir a una situación homoquiral. En la actualidad se siguen
realizando estudios relacionados con la reacción autocatalítica
de Soai, pero el modelo de Blackmond/Brown sigue siendo la
única propuesta que proporciona una racionalización adecuada
de los datos experimentales de esta reacción. Son de destacar
los resultados más recientes publicados por Tsogoeva y colaboradores en 2007 sobre reacciones puramente orgánicas que muestran propiedades similares de autocatálisis y amplificación del
ee, y que han supuesto un revulsivo para la comunidad científica, puesto que la química involucrada se encuentra mucho más
cercana a la que podría ser prebióticamente plausible (Figura 3).
46 O
O
CO2Et
(30 mol%, 99% ee)
+
NPMP
EtO2C
NHPMP
O
4 días, ta
NHPMP
CO2Et
70%, 96% ee)
H
Figura 3. El primer sistema organoautocatalítico asimétrico descrito
por Tsogoeva y colaboradores.
La quiralidad a nivel molecular
en los seres vivos
Independientemente del origen de la homoquiralidad, pero
como consecuencia de la misma, las moléculas orgánicas presentes en los seres vivos, las enzimas, receptores celulares,
neurotransmisores, hormonas y, en conjunto, las especies bioquímicas que intervienen en el metabolismo, se construyen a
partir de pequeñas moléculas quirales, tales como aminoácidos
o hidratos de carbono, presentes en los organismos vivos como
un único enantiómero. Presentan pues una estereoquímica definida, y por tanto los dos enantiómeros de una sustancia que
tenga que interaccionar con estos receptores podrán presentar
en el organismo humano un comportamiento diferente.
La idea de que los procesos bioquímicos siguen un comportamiento del tipo reconocimiento químico/respuesta fue
propuesta por Emil Fischer en 1894, que usó para ello el
47 concepto de “llave y cerradura”. La idea es que un compuesto
químico concreto se puede adaptar especialmente a una localización específica de una biomolécula, lo que inicia una
cierta respuesta bioquímica. El término cerradura y llave se
usa todavía ampliamente, pero hoy en día se sabe que muchas moléculas diferentes con estructuras similares, pero no
necesariamente idénticas, pueden iniciar respuestas bioquímicas similares.
Con el fin de racionalizar las distintas interacciones compuesto activo-receptor observadas para los dos enantiómeros de
un compuesto biológicamente activo, Easson y Stedman propusieron en 1933 un “modelo de acoplamiento de tres puntos”
(3D point interaction). Las interacciones consideradas en este
modelo pueden ser de tipo electrostático (por ejemplo, repulsión de cargas del mismo signo y atracción de cargas opuestas), fuerzas atractivas débiles como el enlace de hidrógeno, la
formación de enlaces covalentes (electrones compartidos entre
los átomos que interaccionan), o pueden consistir en simples
interacciones de tipo estructural debidas al tamaño o la forma
de las especies que se aproximan, en virtud de los llamados
efectos estéricos. El modelo, que claramente supone una simplificación, se basa en que si tres grupos de la molécula de un
enantiómero dado interaccionan con tres posiciones complementarias en un receptor quiral del organismo, el otro enantiómero no podrá interactuar exactamente del mismo modo.
Como consecuencia de ello, los dos enantiómeros de un compuesto pueden presentar una actividad biológica diferente
(distinta velocidad de reacción, interacciones con receptores
48 diferentes, efectos secundarios, etc.), efecto que de hecho se
puede observar en numerosos ejemplos de nuestra vida.
Así, los receptores olfativos están constituidos por proteínas que están compuestas por aminoácidos L , por lo que no es
sorprendente que nuestro olfato sea bastante sensible no sólo
a la estructura química de las moléculas responsables del olor,
sino también a su quiralidad. En la práctica, para una pareja de
enantiómeros pueden existir diferencias no sólo en el olor, sino
también en el umbral de sensibilidad, es decir, la concentración
a la que un enantiómero puede ser detectado. Hasta mediados
del siglo XX no fue posible preparar compuestos enantioméricamente puros y comprobar la diferencia de sus olores. Uno de
los primeros ejemplos descritos en este sentido en 1971 fue el
de la pareja de enantiómeros constituida por la (R)-(-)-carvona,
que huele a hierbabuena, y la (S)-(+)-carvona, que huele a comino. Otro ejemplo lo constituye el (R)-(+)-limoneno, responsable del olor de la naranja, y el (S)-(-)-limoneno responsable
del olor a limón. En algunos casos la diferencia entre enantiómeros se refleja más en la sensibilidad que en el tipo de olor.
Por ejemplo, el (+)-nootkaton es responsable del olor del pomelo. El umbral de sensibilidad para el percibir el olor de este
compuesto es 2000 veces más bajo que el de su enantiómero,
que también tiene olor a fruta (Figura 4).
Otro ejemplo interesante es la androsterona. Esta molécula, que contiene seis centros estereogénicos, es casi la más
grande que puede oler un ser humano (Figura 5). Como su
nombre sugiere, el hombre secreta el enantiómero (+), presente
fundamentalmente en el sudor axilar. La (+)androsterona se
49 encuentra también en las trufas, lo que permiten que los cerdos, que son atraídos por este olor, las encuentren aunque estén
enterradas. El enantiómero (-) no tiene un olor detectable por
los humanos.
O
O
(S)-Carvona
(R)-Carvona
(S)-Limoneno
(R)-Limoneno
O
O
(R)
(S)
(S)
(R)
(S)
(R)
(+)-Nootkaton
(-)-Nootkaton
Figura 4. Estructuras de los dos enantiómeros de la carvona, el
limoneno y el nootkaton.
(S)
O
(S)
(S)
H
(R)
(S)
H (R)
(S)
(S)
H (R)
(R)
H
H
H
H
(R)
(R)
H
(+)-Androsterona
O
(-)-Androsterona
Figura 5. Estructuras de los dos enantiómeros de la androsterona.
50 En lo que se refiere al sentido del gusto, se cree que el ser
humano sólo puede detectar cinco tipos diferentes de sabores: salado, ácido, dulce, amargo y umami. Este último es relativamente
nuevo en el mundo occidental, pero era muy conocido en Japón
desde comienzos del siglo XX. El nombre umami, sugerido por
el profesor Kikunat Ikeda, de la Universidad de Tokyo, proviene
de la combinación de los términos japoneses umai (
), que
significa delicioso y mi ( ) que significa sabor. Se podría describir como jugoso o sabroso, y está asociado fundamentalmente al
glutamato monosódico, que fue descubierto y aislado por el profesor Ikeda en 1908 a partir de algas marinas.
Existen muchos menos datos sobre la influencia de la quiralidad en el sabor que en el olor, pero un ejemplo bien estudiado es justamente el glutamato monosódico. Este compuesto,
que se puede comprar en los supermercados y se utiliza como
aditivo para cocinar, es la sal monosódica del ácido L-glutámico
(Figura 6). Su enantiómero, el D -glutamato monosódico, no
tiene sabor alguno. Muchos de los aminoácidos de la serie L tienen un fuerte sabor umami, pero ninguno de la serie D lo posee.
O
O
O
O Na*
HO
Na*
NH2
O
O
OH
NH2
Sal mono sódica del
ácido L-glutámico
Sal mono sódica del
ácido D-glutámico
Figura 6. Estructura de los dos enantiómeros de la sal sódica del
ácido glutámico.
51 Hace algunos años se sugirió que la L-sacarosa, enantiómero del azúcar de mesa, que es la D -sacarosa (compuesta
por unidades de D -fructosa y D -glucosa), podría ser un buen
edulcorante artificial (Figura 7). La idea no es mala, ya que
teniendo en cuenta que se sabe que tanto los hidratos de carbono de la serie D como los de la serie L tienen sabor dulce,
la L-sacarosa debería ser dulce, pero no engordaría, ya que no
sería digerida ni metabolizada de la misma forma que el azúcar natural. El problema es sin duda la dificultad y los costes
prohibitivos que conllevan la producción de un azúcar no natural en la escala necesaria para su comercialización.
HO
HO OH
OH
O OH
O
O
OH
OH
HO
HO O
OH
HO
D-Sacarosa
OH
O
O
HO
OH
OH OH
L-Sacarosa
Azúcar de mesa
Figura 7. Estructuras de los dos enantiómeros de la sacarosa.
Es interesante también considerar el papel de los olores en
la comunicación. Los humanos usamos nuestros sentidos de
una manera muy diferente a la de otras especies. La sensibilidad y selectividad de nuestro olfato es bastante pobre cuando
se compara con las de la mayoría de los animales. El ser humano confía fundamentalmente en sus ojos y sus oídos para
evitar el peligro, y tiene la capacidad de comunicarse a través
52 de la lengua. Sin embargo, muchas especies de animales usan
la producción y detección de olores para su comunicación, y la
importancia de la quiralidad en estos casos es indudable.
Una feromona (del griego pherein, transportar, y hormon,
excitar) es una sustancia secretada por un animal o planta individual que, al ser detectada por un individuo de la misma
especie, induce una reacción específica. Las feromonas se han
asociado fundamentalmente a diversos aspectos de la atracción sexual y la reproducción, pero también se han identificado
como portadoras de señales de alarma, de señales para la agregación, señales de identificación individual, o señales para la
atracción de posibles presas o para la repulsión de depredadores.
Las dos principales aproximaciones para la comunicación a través de los olores es la variación de las concentraciones relativas
de los distintos compuestos volátiles emitidos o la secreción de
un compuesto concreto, a menudo con una especificidad enantiomérica. Aunque las feromonas se han estudiado en mamíferos, especialmente en roedores y cerdos, la mayor proporción
de estudios, especialmente los relativos a la importancia de la
quiralidad, se han realizado en insectos.
En 1973 el profesor Kenji Mori, de la Science University
de Tokyo, mientras enseñaba a sus alumnos los primeros experimentos de Pasteur sobre estereoquímica, se dio cuenta de que
podía usar los dos enantiómeros del ácido tartárico para sintetizar los dos enantiómeros de la brevicomina. Se sabía que la
exo-brevicomina y la frontalina eran componentes de la feromona responsable del comportamiento de agregación del escarabajo del pino del oeste (Dendroctonus brevicomis), responsable
53 de graves plagas de las coníferas. En colaboración con el profesor Wood de la Universidad de Berkeley, en California, demostraron que los escarabajos del pino del oeste eran atraídos por
la (+)-brevicomina y, sin embargo, su enantiómero, la (-)-brevicomina, era completamente inactivo a estos efectos (Figura 8).
(S)
O
(R)
(S)
O (R)
(+)-exo-Brevicomina
O
O
(S)
(R)
(-)-endo -Brevicomina
Figura 8. Estructura de los dos enantiómeros de la brevicomina.
El conocimiento sobre la biología y la química asociada
con la comunicación en insectos está adquiriendo una importancia creciente a medida que la sociedad intenta desarrollar
métodos más medioambientalmente benignos para el control
de las plagas. Por ejemplo, el conocimiento de la especial sensibilidad de los mosquitos y otros insectos a los enantiómeros
específicos de repelentes puede conducir sin duda a productos
comerciales más orientados. De hecho, el uso comercial de feromonas a gran escala ha ido aumentando como consecuencia de los esfuerzos realizados para aumentar la producción
de alimentos, disminuyendo al mismo tiempo el uso generalizado de pesticidas y herbicidas. En muchos casos las feromonas se usan para atraer insectos específicos y atraparlos, y en
otros casos se usan directamente para modificar la población
de insectos, interrumpiendo el apareamiento mediante la aplicación de feromonas que dificultan que las parejas se localicen.
54 N
HO
S
N
(S)
CO2H
HO2C
S
D-Luciferina
N
N
S
S
(R)
OH
L-Luciferina
Figura 9. Estructura de los dos enantiómeros de la luciferina.
Otros seres vivos “usan” la quiralidad de otras formas muy
interesantes y a veces inesperadas. Un ejemplo es el de las luciérnagas, que son los más conocidos de entre los seres vivos que
despiden luz. La reacción química que conduce a la bioluminiscencia involucra a la D-luciferina, nombre que hace alusión a
Lucifer (del latín lux “luz” y fero “llevar”: “portador de luz”). La
estructura de este compuesto está relacionada con la del aminoácido D-cisteína (Figura 9). Lo interesante está en el hecho
de que la forma natural de la cisteína es la L-cisteína. ¿Cómo
fabrica la luciérnaga la D-luciferina (o la D-cisteína), y por qué
para que se dé el fenómeno de la bioluminiscencia se emplea el
aminoácido no natural? Niva y colaboradores, en Osaka, criaron
luciérnagas japonesas (Luciola lateralis) y analizaron la cantidad
de D-luciferina, L-luciferina, D-cisteína y L-cisteína en distintos
momentos del ciclo de la vida de estos insectos. Observaron
que la cantidad de D-luciferina crecía con la edad, detectándose
muy poca cantidad de D-cisteína. Llegaron a la conclusión de
que la luciérnaga sintetiza L-luciferina a partir del aminoácido
natural, L-cisteína, y utiliza una enzima para transformarla en
la D-luciferina, que se emplea para el efecto parpadeante que
atrae a la pareja. Dado que la luciérnaga no come después de
pasar del estado de larva, necesita almacenar de forma segura
55 los compuestos luminiscentes, lo que se lleva a cabo en forma
del isómero D, menos susceptible a otros procesos metabólicos que podría sufrir la L-cisteína natural.
Quiralidad y actividad de los fármacos
Sin embargo, la importancia de la quiralidad alcanza su
máxima expresión en el diseño, desarrollo y uso de nuevos fármacos, cuyo impacto en la longitud y calidad de vida de los
seres humanos es enorme. Aunque existen algunos fármacos
comunes aquirales, como la aspirina (ácido acetilsalicílico) y el
paracetamol [N-(4-hidroxifenil)etanamida] (Figura 10), la mayoría de los medicamentos son compuestos quirales.
CO2H
H
N
O
O
HO
Aspirina
O
Paracetamol
Figura 10. Estructuras de la aspirina y del paracetamol.
Dado que los remedios usados en la medicina natural y en
la medicina tradicional se obtienen casi exclusivamente de las
plantas o de los animales, cuando son quirales están constituidos por un solo enantiómero. Uno de los productos naturales
quirales más ampliamente usado durante miles de años es la
morfina, nombrada así por el farmacéutico alemán Friedrich
Wilhelm Adam Sertürner en honor a Morfeo, el dios griego
56 de los sueños. La morfina, que se purificó a comienzos del
siglo XIX, es el alcaloide que se encuentra en mayor proporción en el opio, que se extrae de las cápsulas verdes de la adormidera (Papaver somniferum) (Figura 11).
HO
O (R)
(S)
H
(S)
H
(R)
(R)
N
HO
Figura 11. Estructura de la morfina.
A comienzos del siglo XX comenzaron a cobrar importancia los estudios comparativos de la efectividad de los compuestos naturales enantioméricamente puros frente a la de la
mezcla racémica. Por ejemplo, Fromherz demostró en 1923
que la (-)-adrenalina o epinefrina, secretada por las glándulas
suprarrenales, era un 50% más activa sobre la presión sanguínea que la mezcla racémica, y que la (-)-adrenalina era 30-40
veces más activa que la (+)-adrenalina (Figura 12).
OH
HO
(R)
H
N
H
N
OH
(S)
HO
OH
OH
(R)-(-)-Adrenalina
(S)-(+)-Adrenalina
Figura 12. Estructura de los dos enantiómeros de la adrenalina.
57 En la primera mitad del siglo XX se realizaron importantes avances en la química, sin duda en gran parte motivados por las necesidades de un mundo que se había encontrado
con dos guerras devastadoras. Por una parte, en esta época fue
posible la extracción, purificación e identificación de productos naturales de una manera mucho más eficiente y precisa, y
por otra, la industria basada en la síntesis de nuevos compuestos no naturales progresó notablemente.
Pero paralelamente a las ventajas derivadas de la disponibilidad de nuevos compuestos, ocurrieron tragedias, entre
las que destaca el desarrollo y comercialización de la talidomida. Este compuesto fue fabricado por la compañía química alemana Chemie Grünenthal en los años cincuenta, en
la búsqueda de una manera económica de preparar un nuevo
antibiótico. El compuesto sintetizado resultó no poseer propiedades antibióticas, pero era útil como sedante y antináusea,
por lo que se empleó para disminuir los síntomas de mujeres
embarazadas en los primeros meses de gestación. La tragedia fue que este fármaco produjo más de 10.000 malformaciones fetales en todo el mundo. Posteriormente se demostró
que la (R)(+)-talidomida es responsable del efecto sedativo
de este fármaco, y que la (S)-(-)-talidomida es responsable
de los efectos teratogénicos (Figura 13). En principio podría
pensarse en la posibilidad de emplear el enantiómero R puro
para aprovechar su efecto sedante, evitando así el efecto no
deseado del enantiómero S. Sin embargo, esto no es posible,
porque en el cuerpo tiene lugar una rápida interconversión
de los dos enantiómeros de este compuesto (racemización),
58 de tal manera que la presencia del enantiómero perjudicial
no puede evitarse.
O
(R)
O
HN
O
O
N
N
O
O
(R)-Talidomida
(S)
O
NH
O
(S)-Talidomida
Figura 13. Estructura de los dos enantiómeros de la talidomida.
El caso de la talidomida no sólo puso de relieve la importancia de la quiralidad en el desarrollo de nuevos fármacos, sino que demostró la necesidad imperiosa de llevar a
cabo un análisis riguroso de los distintos enantiómeros en lo
que se refiere a su eficiencia y seguridad. En parte como consecuencia de esta tragedia, se consideró necesaria la existencia
de una legislación más restrictiva para la aprobación de nuevos fármacos. Así, en 1992 la Food and Drug Administration
(FDA) comenzó a exigir para la comercialización de nuevos
fármacos como mezcla racémica que se determinasen las actividades farmacológicas y toxicológicas de los dos enantiómeros
por separado, y que se comprobase la posible interconversión
de los mismos en animales y en humanos.
El ciclo de la vida de un fármaco en el cuerpo involucra la
absorción de la sustancia, el transporte y distribución, la interacción con los receptores, el metabolismo y la excreción, entre
otras posibles funciones. Todos estos procesos potencialmente
59 pueden ser distintos para los dos enantiómeros de un compuesto determinado. En la práctica, el número de fármacos
quirales en los que los dos enantiómeros tienen la misma actividad es relativamente bajo. Muy a menudo los dos enantiómeros tienen efectividad cuantitativamente muy diferente, y en
algunos casos muy distintas propiedades terapéuticas, como en
el caso de la talidomida. Existen innumerables ejemplos de la
interacción diferencial de enantiómeros en el caso de fármacos
de uso muy extendido.
Uno de ellos es el ibuprofeno, fármaco antiinflamatorio
no esteroide (AINE), que se comercializa bajo distintas marcas. Se sabe que el (S)-ibuprofeno es mucho más efectivo para
calmar el dolor que el enantiómero R (Figura 14). Aunque es
posible la preparación del enantiómero S puro, se ha demostrado que el enantiómero R se isomeriza enzimáticamente originando el enantiómero S, por lo que puede considerarse como
un profármaco de este último. Como consecuencia de ello, el
ibuprofeno se comercializa casi siempre como mezcla racémica.
(S)
HO2C (R)
CO2H
(S)-Ibuprofeno
(R)-Ibuprofeno
Figura 14. Estructura de los dos enantiómeros del ibuprofeno.
La fluoxetina (también conocida como Prozac®, su primer nombre comercial), es un fármaco oral psicotrópico para el
60 tratamiento de la depresión, del que en el año 2006 se hicieron
más de 21 millones de prescripciones. Los dos enantiómeros
tienen propiedades como antidepresivos, pero el enantiómero
S se elimina más lentamente del cuerpo (15). El Prozac se fabrica y se vende en forma racémica.
O (S)
H
N
H
N
(R)
O
F3C
CF3
(S)-Fluoxetina
(R)-Fluoxetina
Figura 15. Estructura de los dos enantiómeros de la fluoxetina.
El Cialis® (taladafil), a diferencia de sus dos competidores
como fármacos para la disfunción eréctil, la Viagra® (sildenafil) y el Levitra® (vardenafil), es un compuesto quiral, del que
se prescribe el enantiómero (R,R), que es mucho más activo
que los otros posibles estereoisómeros (Figura 16).
El esomeprazol (Nexium®) fue introducido por la compañía farmacéutica AstraZeneca para controlar el ardor de estómago y el reflujo gástrico, reemplazando al popular omeprazol
(Prilosec®). El omeprazol es una mezcla racémica, y el esomeprazol es el enantiómero S, en el que el centro estereogénico es un átomo de azufre en lugar de un átomo de carbono
(Figura 17). Se ha demostrado que el esomeprazol es mucho
más efectivo que el (R)-omeprazol, y al menos dos veces más
efectivo que la mezcla racémica.
61 O
H
N
(R)
(R)
N
H
N
O
O
O
Taladafil (Cialis®)
O
O
N
S
N
N
O
N
N
H
N
O
Sidenafil (Viagra®)
O
O
N
S
N
N
O
N
N
H
N
O
Vardenafil (Levitra®)
Figura 16. Estructuras del taladafil (Cialis®),
sidenafil (Viagra®) y vardenafil (Levitra®).
62 OCH3
N
(S)
O
S
OCH3
N
O
S (R) N
N
NH
HN
H3CO
OCH3
(S)-Omeprazol (esomeprazol)
(R)-Omeprazol
Figura 17. Estructura de los dos enantiómeros del omeprazol.
El fármaco reductor del colesterol atorvastativa (Lipitor®)
es quizás el más vendido en el mundo. Inicialmente se patentó
y vendió como mezcla racémica de los enantiómeros (R,R) y
(S,S). Más recientemente se ha comercializado el enantiómero
activo (R,R), que según se indica es 10 veces más activo que
la mezcla racémica (Figura 18).
HO (R)
(R)
COOH
OH
N
F
HN
O
(R,R)-Atorvastatina
Figura 18. Estructura de la (R,R)-atorvastatina.
63 Chiral switching
Hasta hace poco tiempo, aunque uno de los enantiómeros de
un fármaco fuese inactivo era habitual la comercialización del
mismo en forma racémica. Sin embargo, la tendencia ha evolucionado en los últimos años hacia la comercialización en
muchos casos en forma enantioméricamente pura, en una evolución conocida como “chiral switching”. Existen distintos motivos que han promovido este cambio.
Por una parte, se han desarrollado nuevas metodologías
de síntesis de compuestos quirales, o de purificación de enantiómeros a partir del racémico, más económicos y sencillos.
Adicionalmente, como ya se ha indicado, las normativas dictadas por distintos organismos reguladores obligan a realizar
todos los estudios de estabilidad, farmacocinética, ensayos clínicos, etc. previos a la comercialización de un nuevo fármaco
para los dos enantiómeros, aunque éste vaya a ser administrado de forma racémica. La elección final para la puesta en
el mercado como isómero único o como racemato tiene que
estar plenamente justificada sobre la base de las propiedades
químicas y los ensayos preclínicos y clínicos. Adicionalmente,
la forma activa enantioméricamente pura de un fármaco presenta en general un tiempo de respuesta notablemente inferior al de la mezcla racémica, y como consecuencia es posible
reducir la dosis del fármaco, con lo que pueden disminuir los
efectos secundarios del mismo. Por último, lo que ocurre con
el isómero inactivo ingerido en el racémico puede llegar a ser
un problema, puesto que su acumulación innecesaria en el
64 organismo humano puede provocar a largo plazo efectos no
deseados en algunos casos.
La incidencia de todos estos conceptos en la industria farmacéutica es muy importante. Los fármacos quirales constituyen más de la mitad de los aprobados cada año en todo el
mundo. Por otra parte, es interesante destacar que entre los 10
fármacos más vendidos en EEUU en 2010, siete eran enantiómeros puros (de hecho los tres primeros, Nexium®, Lipitor®
y Plavix®, lo eran), sólo dos eran compuestos aquirales, y uno
era una combinación de dos productos, uno enantioméricamente puro y otro racémico.
Preparación de enantiómeros puros
La industria farmacéutica es sin duda una de las que mayor
demanda exige de procedimientos sencillos y adecuados para
la síntesis y/o separación de enantiómeros puros, pero la necesidad de obtener moléculas orgánicas enantiopuras se extiende
como hemos visto a otros campos muy diversos. Los herbicidas,
plaguicidas, pesticidas y reguladores del crecimiento de plantas
que poseen estructuras quirales y que son ampliamente usados
en agricultura, también muestran fuertes biodiscriminaciones.
Otros campos de interés se encuentran en la industria alimenticia, la petroquímica o la cosmética, fragancias, aromas, aditivos alimentarios, y la química de materiales quirales, como
polímeros y cristales líquidos.
65 La enorme demanda de compuestos quirales enantioméricamente puros se encuentra también motivada por los
conceptos de sostenibilidad y desarrollo sostenible, que desarrollados a principios de los 90 pretenden despertar una
mayor atención sobre la minimización de los riesgos humanos
y ecológicos. Una sociedad sostenible es aquella que es capaz
de satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin
comprometer las posibilidades de las del futuro para atender
sus propias necesidades, haciendo así el progreso compatible
con la conservación del medio ambiente y el ahorro de recursos naturales.
El desarrollo sostenible se puede conseguir mediante diversas aproximaciones, que incluyen la regulación de la contaminación y la eliminación de residuos, la búsqueda de energías
alternativas y el desarrollo de materiales degradables o reciclables, acciones todas ellas reconocidas como imprescindibles
para la protección de la salud ambiental y humana.
Este espíritu se extendió también al campo de la química,
y en 1991 nació la “química verde”, que en sus 12 principios
resume las estrategias fundamentales para el diseño de nuevos
productos y procesos químicos que reduzcan o eliminen el uso
y la generación de sustancias peligrosas:
1. Prevenir la formación de residuos en lugar de tratarlos
tras su formación.
2. Diseñar métodos sintéticos que consigan la máxima incorporación de todas las materias usadas en el proceso
en el producto final (economía atómica).
66 3. Diseñar metodologías sintéticas que usen sustancias con
escasa toxicidad humana y ambiental.
4. Diseñar productos químicos que, preservando la eficacia
de su función, presenten una toxicidad escasa.
5. Minimizar el uso de reactivos y disolventes auxiliares
tóxicos.
6. Diseñar procesos con los mínimos requerimientos energéticos (temperatura y presión ambiente).
7. Usar preferentemente materias de partida renovables.
8. Diseñar síntesis más cortas, evitando la derivatización
(bloqueo de grupos, protección/desprotección).
9. Reemplazar los procesos estequiométricos por procesos catalíticos.
10. Diseñar nuevos productos biodegradables (que no persistan en el ambiente, sino que se fragmenten en productos de degradación inocuos).
11. Desarrollar métodos de análisis y control de los procesos en tiempo real y on line.
12. Elegir materias primas y diseñar procesos que minimicen la posibilidad de accidentes.
A la luz de estos principios, en los últimos tiempos se ha
llevado a cabo una intensa investigación encaminada al desarrollo de nuevos métodos más eficientes para la preparación
de compuestos enantiopuros.
67 Como hemos visto, los sistemas vivos descubrieron hace
billones de años como fabricar enantiómeros puros. En el
siglo XXI muchos químicos, entre los que me encuentro, trabajamos en el campo de la síntesis asimétrica artificial, con el
objetivo de conseguir la eficiencia y la selectividad quiral que
presentan las biomoléculas. Y aunque se han realizado notables progresos en este campo, todavía no nos aproximamos ni
de lejos a esa capacidad sintética de la naturaleza.
En general, cuantos más centros estereogénicos hay en una
molécula, más complicado es el proceso. Algunos de los fármacos que hemos comentado anteriormente tienen uno o dos
centros estereogénicos, y los procesos desarrollados para su síntesis pueden ser relativamente directos. Pero hay muchos fármacos importantes que tienen muchos centros estereogénicos y
se aíslan de las plantas o de los animales en cantidades variables o muy pequeñas. Su uso extendido y las posibles modificaciones estructurales que conduzcan a productos de propiedades
mejoradas descansa en el diseño que se pueda hacer para su
síntesis artificial. Un ejemplo de la preparación de un producto
natural complejo con todos los centros estereogénicos con la estereoquímica correcta, en un proceso al que se denomina síntesis total, es el fármaco anticancerígeno paclitaxel (Taxol®),
que fue inicialmente aislado de la corteza del tejo del Pacífico
(Figura 19). Tiene 11 centros estereogénicos, lo que constituye
todo un reto, que ha sido acometido por numerosos grupos investigadores de prestigio.
En general, la química sintética se enfrenta con dos posibilidades para obtener productos enantioméricamente puros:
68 preparar la mezcla racémica y encontrar una manera eficiente
de separar los enantiómeros, o comenzar la síntesis con sustancias quirales que muy probablemente tienen un origen en
un ser vivo (productos naturales o chiral pool).
O
O
O
(R)
O
NH
(S)
O
(R)
(S)
O
OH
(S)
(S)
(R)
OH
(S)
H
(S)
(S)
HO O O
O
O
(R)
O
Figura 19. Estructura del paclitaxel.
En lo que se refiere a la primera aproximación, el método
clásico para la separación de racémicos ha sido la resolución de
mezclas de enantiómeros a través de una reacción con un reactivo quiral en cantidad estequiométrica. Se convierten así los
dos enantiómeros en una pareja de diastereoisómeros, separables con las técnicas de separación clásicas, por sus diferentes
propiedades físicas y químicas, a partir de los que se recupera
el reactivo quiral y los enantiómeros. La resolución de racémicos más simple explota la formación de sales diastereoisoméricas con ácidos o bases quirales y la cristalización preferencial
de uno de ellos. La posibilidad de recuperar ambos enantiómeros y el agente de resolución de las sales diastereoisoméricas
separadas por simple variación del pH hace que este método
69 sea ampliamente usado a escala industrial. Este tipo de separación de sales diastereoisoméricas, que ya usó Pasteur para la
separación de los dos enantiómeros del ácido tartárico, se usa
todavía en el laboratorio y en la producción a gran escala de
enantiómeros. Un ejemplo es la separación del enantiómero S
del antidepresivo e inhibidor selectivo de recaptación de serotonina citalopram (Celexa®, Ciprolex®, Lexipro®) a partir de la
mezcla racémica (Figura 20).
(R)
O
N
N
(S)
O
NC
CN
(R)-Citalopram
(S)-Citalopram
Figura 20. Estructura de los dos enantiómeros del citalopram.
Una técnica más reciente para separar enantiómeros consiste en la cromatografía líquida sobre fases estacionarias quirales (CSPs), técnica que, basada en interacciones no covalentes
reversibles, se usa ampliamente para la determinación analítica de la pureza enantiomérica, pero que puede escalarse fácilmente a nivel preparativo. Este método es especialmente
adecuado en los casos en los que los compuestos quirales no
posean grupos funcionales que permitan una fácil derivatización. En esta aproximación una disolución que contiene la
mezcla racémica se hace pasar a través de una columna que
contiene un material quiral sólido. A medida que la disolución
70 que contiene los enantiómeros pasa a través de la columna,
bien por gravedad o por la acción de una bomba de presión,
los enantiómeros interaccionan de una manera diferente con el
soporte quiral, al que se denomina fase estacionaria quiral. Si
por ejemplo el enantiómero R es más fuertemente atraído por
el soporte quiral, o se adapta mejor a su forma, entonces su velocidad de paso a través de la columna será menor que la del
enantiómero S. Al final de la columna, existe un detector que,
en las condiciones óptimas en las que se consigue la máxima
separación entre los enantiómeros, indica cuándo sale de la columna cada uno de ellos. El uso de columnas quirales de varios
tipos se ha extendido desde los años 80 a medida que ha aumentado la necesidad de separación de enantiómeros a escala
de laboratorio y a escala preparativa. Diversos fármacos quirales se han preparado con fines comerciales usando la cromatografía quiral, como el antidepresivo (S)-sertralina (Zoloft®)
(Figura 21). El principal inconveniente de esta aproximación
es que es a menudo cara, ya que se requiere un agente de resolución o de separación, y por otra parte se desecha el enantiómero no deseado.
H
N (S)
(S)
Figura 21. Estructura de la (S,S)-sertralina.
71 Como extensión de este método, en los casos de compuestos con funcionalidades químicas sin grupos ácidos o
básicos, la resolución puede conseguirse a través de la complejación enantioselectiva mediante enlaces de hidrógeno y
otras interacciones débiles de un racemato con los anfitriones adecuados.
Aunque se prefieren los métodos basados en la formación de sales o complejos diastereoisoméricos por la reversibilidad de las interacciones involucradas que permiten la
recuperación simple de un reactivo quiral, también se ha empleado en la resolución de racematos la conversión de enantiómeros en derivados diastereoisoméricos por interacciones
covalentes con un reactivo quiral. Los derivados diastereoisoméricos se purifican normalmente por cromatografía, y los
enantiómeros del sustrato se recuperan por eliminación del
grupo auxiliar.
Una alternativa a la resolución clásica de racematos es la
resolución cinética, proceso en el que los dos enantiómeros de
una mezcla racémica reaccionan a velocidades diferentes en
una transformación determinada. Si la resolución cinética es
eficiente, uno de los enantiómeros se convierte en el producto
deseado, mientras que el otro se recoge inalterado. Este procedimiento presenta la limitación de que posee un máximo
rendimiento teórico del 50%. Un ejemplo de este tipo de separación lo constituyen las resoluciones biocatalíticas, en las
que un sustrato racémico reacciona bajo el control de una enzima, que no es más que una proteína que sirve como catalizador para una reacción química específica en una célula viva.
72 Enzimas hidrolíticas, como las lipasas y estearasas, se emplean
muy frecuentemente en síntesis orgánica. Debido a la quiralidad intrínseca de las enzimas, los enantiómeros de un sustrato
racémico pueden transformarse con distintas velocidades de
acuerdo con su tendencia a interaccionar con la posición activa.
La resolución cinética dinámica (DKR) constituye un avance
notable, que supera parte de las limitaciones de la resolución
clásica. Esta técnica combina el paso de resolución de la resolución cinética con una equilibración in situ o racemización de
un sustrato quiral por métodos químicos, biocatalíticos o incluso de manera espontánea. De esta manera sería posible que
todo el material racémico de partida se convirtiese en última
instancia en un único enantiómero.
La segunda aproximación para la síntesis de compuestos
enantioméricamente puros es la denominada síntesis asimétrica,
que consiste en la formación preferente de un enantiómero
cuando se forma un nuevo centro estereogénico en reacciones
llevadas a cabo en un ambiente quiral. Esta estrategia constituye sin duda la alternativa más poderosa para la obtención de
compuestos enantioméricamente enriquecidos.
La fuente de quiralidad puede provenir del sustrato o del
reactivo, de tal manera que un grupo quiral preexistente en alguno de ellos ejerce alguna influencia en la dirección de la
interacción entre ambos, lo que conduce a una mezcla no balanceada de enantiómeros. Dentro de este apartado se incluye
la síntesis a partir de la reserva quiral o “chiral pool”, que emplea
como sustancias de partida relativamente baratas y renovables
73 compuestos enantiopuros de origen natural, cuya quiralidad se
retiene en los productos finales a través de sucesivas reacciones
con reactivos aquirales en procesos de estereoquímica controlada. Los hidratos de carbono, los aminoácidos, los terpenos,
los hidroxiácidos y los alcaloides son sustancias de partida empleadas con mucha frecuencia en la síntesis de compuestos de
estructura muy diversa. La principal limitación de esta aproximación es que, en la mayoría de los casos, se dispone sólo de
uno de los enantiómeros de las sustancias de partida, y en muchos casos el otro enantiómero es muy difícil de sintetizar o
simplemente no es asequible. A pesar de todo ello, esta aproximación ha sido y sigue siendo ampliamente utilizada cuando
ello es posible.
La fuente de quiralidad puede provenir también de un catalizador quiral, y en este caso la conversión de sustratos proquirales en productos enriquecidos enantioméricamente es
promovida por una cantidad sub-estequiométrica del mismo
que es capaz de regenerarse, con una transferencia de quiralidad intermolecular continua. La principal ventaja de este
método es que, dado que el catalizador no se consume en el
proceso, cada molécula puede participar en muchos ciclos consecutivos, por lo que sólo se necesitan pequeñas cantidades del
mismo para obtener grandes cantidades de compuestos enantioenriquecidos. Es importante destacar que un catalizador no
es simplemente algo que acelera una reacción sin que se consuma en el proceso, sino que de hecho abre un camino de reacción distinto y más favorable energéticamente que el de la
reacción no catalizada.
74 Hay que destacar que la moderna biología molecular y la
biotecnología han tenido un tremendo impacto en la disponibilidad de moléculas quirales para distintos usos, mediante
procesos industriales que involucran microorganismos naturales o modificados para producir los productos quirales deseados
a partir de fuentes asequibles. Como ejemplo, en los últimos
tiempos se han preparado diversos L-aminoácidos de importancia comercial mediante el uso de determinadas cepas muy
eficientes de bacterias y otros microorganismos. Así, el ácido
L-aspártico se puede obtener a partir del amoniaco (NH3) aquiral y el ácido fumárico mediante la enzima aspartasa aislada de
la bacteria Escherichia coli. Este proceso industrial tiene relevancia, ya que el aspartamo, conocido edulcorante artificial que
se comercializa bajo varias marcas como Natreen®, Canderel®
o NutraSweet®, se puede obtener en gran escala a partir del
ácido L-aspártico y la Lfenilalanina mediante un proceso biotecnológico (Figura 22). El L-aspartamo es de 150 a 200 veces
más dulce que el azúcar, mientras que el D -aspartamo tiene
sabor amargo.
O
HO
H
N (S)
H2N (S)
O
O
O
Figura 22. Estructura del aspartamo.
75 Teniendo en cuenta las bases de las distintas aproximaciones comentadas, la catálisis asimétrica se erige como una de
las estrategias más útiles y respetuosas con el medio ambiente.
Desde que se describió el primer catalizador artificial para la
ciclopropanación asimétrica y la primera aplicación de un proceso catalítico asimétrico a escala industrial (Monsanto) para la
producción del fármaco anti-Parkinson LDOPA, ha existido
un creciente interés en el desarrollo de nuevas reacciones catalíticas enantioselectivas. La catálisis asimétrica ha demostrado
ser una aproximación altamente competitiva para la producción de compuestos quirales a partir de moléculas aquirales, y
su creciente importancia fue reconocida en 2001 con la concesión del Premio Nobel de Química a los profesores Knowles,
Noyori y Sharpless por sus investigaciones fundamentales en
este campo. Dado que la efectividad de una reacción catalítica
enantioselectiva reside en la estructura del catalizador quiral,
cuyas características químicas, estereoquímicas, electrónicas
y estéricas determinan el control de la inducción asimétrica,
para el desarrollo de nuevos procesos asimétricos “verdes” se
hace imprescindible una búsqueda intensiva de nuevos catalizadores y metodologías innovadoras, que en muchos casos
deben derivar de un mejor entendimiento del mecanismo de
cada reacción.
En la actualidad, los avances en ambas direcciones, diseño de nuevos catalizadores quirales y nuevos procesos enantioselectivos, han conducido a sistemas efectivos para una gran
variedad de reacciones asimétricas. La organización de los
sustratos en el entorno quiral de los catalizadores, requisito
76 esencial para la inducción asimétrica, se ha abordado por coordinación con metales de transición, la formación de intermedios unidos covalentemente a los reactivos, o a través de redes
de enlaces de hidrógeno o interacciones electrostáticas. La activación simultánea de los dos componentes de una reacción
usando la catálisis bifuncional ha conseguido a menudo alcanzar mejores rendimientos químicos y ópticos de los productos.
Muchas transformaciones asimétricas se han aplicado ya a la
síntesis de compuestos quirales con actividad biológica o farmacológica, y es indudable que en el futuro se extenderá a un
mayor número de preparaciones a gran escala.
A lo largo de este viaje, en el que hemos intentado analizar qué les sucede a las moléculas cuando se miran en el espejo, queda patente la importancia de la asimetría para la vida
tal y como la conocemos. Sin embargo, en todas las culturas,
simetría y belleza aparecen como consustanciales. Reconocer
y contemplar formas y estructuras simétricas es una fuente de
placer que comenzamos a descubrir desde la infancia, ya que
transmiten precisión, orden, calma. Por su parte, la asimetría
transmite agitación, tensión, dinamismo, alegría, vitalidad.
Hoy todavía estamos muy lejos de llegar a comprender en profundidad las razones de la asimetría del universo y los orígenes de la homoquiralidad. Pero en cualquier caso, los desafíos
de la asimetría pueden hacer más interesante la vida, y hacernos ver el universo como algo aún más sorprendente, algo que
está esperando para ser explorado y para ser entendido. Y por
ese camino seguimos y debemos seguir, con un claro objetivo
que ya enunció Albert Einstein: “No sólo queremos saber cómo
77 es la naturaleza (y cómo se llevan a cabo las transformaciones
en ella), sino que también queremos alcanzar si es posible una
meta que puede parecer utópica y presuntuosa, conocer por qué
la naturaleza es así y no de otra manera”.
Bibliografía general
Asimov, I.: El electrón es zurdo y otros ensayos científicos, Alianza
Editorial S.A., Madrid, 1977.
Cintas, P. (ed.): Biochirality. Origins, Evolution and Molecular
Recognition, Topics in Current Chemistry 333, Springer, Berlín,
2013.
Flügel, R. M.: Chirality and Life. A Short Introduction to the Early
Phases of Chemical Evolution, Springer, Berlín, 2011.
Francotte, E. y W. Lindner (eds.): Chirality in Drug Research,
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2006.
Guijarro, A. y M. Yus: The Origin of Chirality in the Molecules of
Life, RSC Publishing, Cambridge, 2009.
Lough, W. J. e I. W. Wainer (eds.): Chirality in Natural and Applied
Science, Blackwell Science Ltd., Oxford, 2002.
Meierhenrich, U.: Amino Acids and the Asymmetry of Life, Springer,
Berlín, 2008.
Ojima, I. (ed.): Catalytic Asymmetric Synthesis, John Wiley & Sons
(3ª edición), Hoboken, Nueva Jersey, 2010.
78 Patti, A.: Green Approaches to Asymmetric Catalytic Synthesis,
Springer, Dordrecht, 2011.
Rauchfuss, H.: Chemical Evolution and the Origin of Life, Springer,
Berlín, 2008.
Riehl, J. P.: Mirror-Image Asymmetry: An Introduction to the Origin
and Consequences of Chirality, John Wiley & Sons, Hoboken,
Nueva Jersey, 2010.
Wagnière, G. H.: On Chirality and the Universal Asymmetry.
Reflections on Image and Mirror Image, Wiley VCH, Zurich, 2007.
79 ROSARIO FERNÁNDEZ FERNÁNDEZ
Es Licenciada (1980) y Doctora (1985) en Ciencias Químicas por la Universidad de Sevilla,
en la que es Catedrática de Química Orgánica desde 2008. En 2011 fue elegida miembro
de la Real Academia Sevillana de Ciencias. Sus intere­ses en la investigación se centran
en la síntesis asimétrica, en especial en la catálisis enantioselectiva mediada por metales
y/o en procesos organocatalíticos. Es autora de un centenar de publicaciones, ha dirigido
veinticuatro Tesis Doctorales, así como impartido c­onferencias en múltiples Congresos
Nacionales e Interna­cionales y en distintas Universidades y Centros de Investigación.
Por otra parte ha estado implicada en tareas de gestión relacionadas con la investigación a nivel nacional, autonómico y en el seno de la Comisión de Investigación de la
Universidad de Sevilla.